某中承式系桿拱橋增加縱梁方案探討

錢 瑋

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

20世紀末到21世紀初我國建設了大量的漂浮體系的系桿拱橋。這類系桿拱橋拱肋為主要承重構件，采用柔性系桿平衡拱腳推力，基礎要求低，在國內各地區得到了大量的推廣。系桿拱橋橋面板系為漂浮體系，橋面系橫梁通過吊桿連接到拱肋，預制橋面板擱置在橋面系橫梁上，受力簡單明確，施工工藝簡單。但是，因橋面系缺少主縱梁體系，當單根吊桿失效后，連接吊桿的橫梁立即無法受力導致垮塌，然后橋面板垮塌。橋面板垮塌后的沖擊可能導致相鄰的吊桿沖擊斷裂，從而形成逐個破壞的特征，導致全橋橋面系垮塌，嚴重影響結構受力安全。近年來國內外發生的多起柔性系桿拱橋的橋面系垮塌都是上述原因。本文針對這種橋型的缺陷，探討對系桿增加縱梁的設計方案。

2 原橋總體設計

某拱橋主橋采用1-192 m中承式鋼管混凝土拱橋(見圖1)，橋面總寬12 m，布置為0.5 m防撞護欄+11 m行車道+0.5 m防撞護欄(見圖2)。拱橋拱軸線采用懸鏈線，矢高38.4 m，矢跨比為1/5，拱軸系數m=1.167。橋面系為8 m，5.33 m鋼筋混凝土空心板。橋梁設計荷載為公路—Ⅰ級。

標準段拱肋為桁架式結構(見圖2)，總高3.0 m，弦桿為4根φ700×14 mm鋼管，腹桿為φ299×10 mm。弦桿內灌注C50微膨脹混凝土。全橋布置19對吊桿，吊桿采用7-73高強鍍鋅鋼絲成品束。吊桿橫梁為預應力混凝土構件，梁高140 cm～156 cm，梁寬80 cm。橫梁上擱置了預制橋面板，橋面板為梁高45 cm空心板梁。

設計采用通用有限元程序模擬橋梁施工過程及成橋階段受力，考慮的設計荷載有：一期恒載包括構件自重、二期恒載、汽車荷載(公路—Ⅰ級、考慮三車道左側偏載)、整體升降溫(升溫25 ℃，降溫25 ℃)、局部溫差(拱肋上下緣鋼管溫差10 ℃)、風荷載、不均勻沉降(單拱腳5 mm)。

結構計算幾何模型采用全空間梁單元模型(見圖3)，全橋離散為3 089個單元。為真實模擬橋面系的作用，防止橋面系承擔拱橋推力，橋面系采用虛梁模擬。根據拱橋施工工序，劃分了13個施工階段：

1)扣索吊裝拱肋；2)拱肋合龍；3)安裝橫向風撐、1-4號鋼橫梁；4)澆筑拱橋外包混凝土，拱腳鉸接體系轉換為固結；5)灌注拱肋下弦桿混凝土；6)拱肋下弦桿混凝土參與受力；7)灌注拱肋上弦桿混凝土；8)拱肋上桿混凝土參與受力；9)拆除施工扣索；10)安裝吊桿、立柱、橫梁、橋面系梁體；11)施工橋面鋪裝及防撞護欄；12)施工橋面附屬管線設施；13)成橋運營10年。

基本組合效應拱肋最大應力212 MPa(見圖4)，出現在下弦桿拱肋厚度變化段，小于規范Q345鋼材強度設計值270/1.1=245 MPa。

荷載標準組合效應吊桿最大應力459 MPa(見圖5)，其抗拉極限強度1 670 MPa，安全系數為3.63。

3 增加縱梁設計方案

GB 50923—2013鋼管混凝土拱橋技術規范中相關規定：“7.5.1中承式和下承式拱橋的懸吊橋面系應采用整體性結構，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設置加勁縱梁，并應具有一根橫梁相對應的吊桿失效后不落梁的能力”。2015年頒布JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第8.1.4條規定橋面系宜采用縱橫梁組合體系。

由于原橋梁未設置縱梁，若某根吊桿發生斷裂，橋面系剛度不足會引起橋面垮塌，結構安全隱患大。通過縱梁加固可以有效加強全橋整體性，增加橋梁的安全冗余。當單根吊桿斷裂時上部結構自重和活載通過縱梁傳遞到相鄰兩根吊桿上，可以有效的預防橋面垮塌。增加縱梁考慮了以下設計原則：1)單根吊桿失效后橋面不坍塌；2)對原橋結構不宜過多增加恒載；3)盡可能不對現有結構干擾，避免對橫梁預應力鋼束的影響；4)增加后結構受力明確，充分利用材料性能。

擬在橋面系橫梁間增加桁架式縱梁(見圖6)，縱梁與現狀橫梁采用有效連接。

桁架式縱梁由上弦桿、下弦桿、豎桿、斜桿和橫梁組成(見圖7)，弦桿采用300 mm×300 mm×16 mm×20 mm工字鋼，豎桿采用200 mm×120 mm×10 mm×12 mm工字鋼，斜桿采用200 mm×120 mm×10 mm×12 mm工字鋼，橫梁采用300 mm×120 mm×10 mm×12 mm工字鋼。桁架式縱梁與橫梁均采用Q355鋼材。

桁架式縱梁與現狀混凝土橫梁連接(見圖8)，為增加連接強度，混凝土橫梁外包鋼板并增設M24 化學錨栓確保連接可靠。

橋面系增加縱梁后(見圖9)，修改計算模型模擬縱梁效應，并驗算拱肋、吊桿受力，并增加模擬單根吊桿斷裂后縱梁及吊桿受力。

基本組合效應拱肋最大應力219 MPa(見圖10)，出現在下弦桿拱肋厚度變化段，小于規范Q345鋼材強度設計值270/1.1=245 MPa，增加縱梁后主拱受力滿足要求。

荷載標準組合效應吊桿最大應力465 MPa(見圖11)，其抗拉極限強度1 670 MPa，安全系數為3.59。

4 吊桿斷索工況

橋面系設置縱梁后增加了橋梁的安全冗余。當單根吊桿斷裂時上部結構自重和活載通過縱梁傳遞到相鄰兩根吊桿上，可以有效的預防橋面垮塌。本章假設單根吊桿斷裂(見圖12)，檢算桁架式縱梁受力及相鄰吊桿受力情況。單根吊桿失效后，桁架式縱梁最大應力152 MPa(見圖13)，最大變形31 mm，滿足受力要求，橋面系不會垮塌。單根吊桿失效后，相鄰吊桿索力從902 kN增加到1 350 kN，增加幅度49%。相鄰吊桿受力滿足2.5倍的安全系數，結構安全可靠。

5 結語

本文介紹了某中承式漂浮體系系桿拱橋的總體方案及總體受力計算，并結合新頒布的《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》，對原橋增加橋面縱梁并進行數值模擬計算，檢算了增加橋面縱梁后橋梁總體受力及單根吊桿失效后的橋面縱梁受力。通過增加橋面縱梁，漂浮體系系桿拱橋的耐久性及安全冗余度得到較大提高，對同類系桿拱橋的改造提供了借鑒。